JP4588837B2 - 半導体受光装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光透過窓を有する収納容器内に配置された半導体受光素子を備える半導体受光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体受光装置において、様々な部分に樹脂材料が用いられている。
たとえば特開平６−４５５７４号公報に開示された半導体受光装置においては、光透過窓（窓材）を有する収納容器（パッケージ）と、この収納容器内に配置されかつ光透過窓から入射した光を受光する半導体受光素子（Ｎ型エピ層、ＣＣＤ等を含むＣＣＤチップ）とを備え、ＣＣＤチップと、このＣＣＤチップがバンプボンディングされるシリコンウエファとの間に、樹脂材料が充填されている。
【０００３】
また、光透過窓を収納容器に固定するのに用いられる接着剤や、半導体受光素子を収納容器に固定するのに用いられる接着剤等にも、エポキシ樹脂系接着剤等の樹脂材料が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの調査研究の結果、以下のような事実を新たに見出した。樹脂材料が用いられた半導体受光装置においては、半導体受光素子にて受光する光に、たとえば紫外線が含まれている場合に、照射された光（紫外線）により、樹脂材料の成分が分解されてガスとして収納容器内に放出され、光透過窓の収納容器側の面（光出射面）、あるいは、半導体受光素子の表面（受光面）に付着してしまう。このように、樹脂材料から放出されたガスが光透過窓の収納容器側の面（光出射面）、あるいは、半導体受光素子の表面（受光面）に付着し、凝集することにより、測定光（入射光）の透過率が低下して半導体受光素子の受光感度が低下することが判明した。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、樹脂材料から放出されるガスを収納容器外に排出して、半導体受光素子の受光感度が低下するのを抑制することが可能な半導体受光装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体受光装置は、光透過窓を有する収納容器と、収納容器内に配置されかつ光透過窓から入射した光を受光する半導体受光素子とを備えると共に、樹脂材料が用いられた半導体受光装置であって、収納容器内においてガスを流通させることにより、樹脂材料から収納容器内に放出されるガスを収納容器外に排出するガス流通手段が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
本発明に係る半導体受光装置では、収納容器内においてガスを流通させることにより、樹脂材料から収納容器内に放出されるガスを収納容器外に排出するガス流通手段が設けられるので、樹脂材料の成分が分解されてガスとして収納容器内に放出された場合でも、樹脂材料から放出されたガスが収納容器外に排出されることになる。これにより、樹脂材料から放出されたガスが光透過窓の収納容器側の面（光出射面）、あるいは、半導体受光素子の表面（受光面）に付着し、凝集するのが抑制されて、測定光（入射光）の透過率の低下が抑制される。この結果、半導体受光素子の受光感度が低下するのを抑制することができる。
【０００８】
また、ガス流通手段は、収納容器内のガスを排出するためのガス排出手段を有していることが好ましい。このように、ガス流通手段が収納容器内のガスを排出するためのガス排出手段を有することにより、樹脂材料から収納容器内に放出されたガスを確実に収納容器外に排出することができる。
【０００９】
また、ガス流通手段は、収納容器内に所定のガスを供給するためのガス供給手段を更に有していることが好ましい。このように、ガス流通手段が収納容器内に所定のガスを供給するためのガス供給手段を更に有することにより、収納容器内にガス供給手段から供給される所定のガスが還流して、樹脂材料から収納容器内に放出されたガスをより一層確実に収納容器外に排出することができる。
【００１０】
また、ガス排出手段は、収納容器に形成されたガス排出通路を含み、ガス供給手段は、収納容器に形成されたガス供給通路を含み、ガス排出通路とガス供給通路とは、収納容器内の半導体受光素子に対して対角となる位置に夫々開口していることが好ましい。このような構成とした場合、収納容器内の半導体受光素子が配置されている部分全体にわたって所定のガスが還流することになり、樹脂材料から収納容器内に放出されたガスを効率的に収納容器外に排出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による半導体受光装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。第１実施形態〜第３実施形態は、受光部の基板を薄形化して電荷読み出しを行う電極形成面の裏側から光を入射させる裏面照射型のＣＣＤ（Charge Coupled Device）チップを備えた半導体受光装置に、本発明を適用した例を示している。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体受光装置の平面図であり、図２は、同じく第１実施形態に係る半導体受光装置の断面図である。
【００１３】
半導体受光装置１はパッケージとしてのセラミック製の基板２を有し、この基板２の中央部には、基板２の所定方向に伸びる中空部３が形成されている。基板２には、半導体受光素子が載置される載置部２ａが中空部３に突出した状態で設けられている。本実施形態においては、半導体受光素子としての裏面照射型のＣＣＤチップ４が、裏面側が光入射面となるように載置部２ａにスペーサ５を介して載置され、この載置部２ａ（基板２）に対して固定される。このスペーサ５は弾性を有しており、ＣＣＤチップ４における反り等の発生を抑制する。載置部２ａより所定高さを有して形成された段部２ｂには、ＣＣＤチップ４の電極を外部に取り出すためのボンディングパッド（図示せず）が設けられている。ボンディングパッドは基板２の中間部に形成される金属層を通って、基板２の外部に導出されており、この基板２の外部に導出された部分にはリード６がろう付け等により固着されている。ＣＣＤチップ４の電極とボンディングパッドとは、ボンディングワイヤ７を介して、結線されている。
【００１４】
ＣＣＤチップ４の表面と基板２の中空部３とで画成される空間には、エポキシ樹脂等の樹脂材料８が充填されており、この充填された樹脂材料８が硬化することにより薄形化されたＣＣＤチップ４が補強、保護されると共に、基板２に固定されることになる。また、基板２の中空部３は、光入射面とは反対側の面２ｃにおいて、カバー部材９により封止されている。
【００１５】
中空部３の周囲の基板２の上面（光入射面側の面）２ｄには、シールフレームとしてのシールリング１０が、中空部３（ＣＣＤチップ４）を囲む状態でろう付け等により固着されている。シールリング１０には、キャップ１１がシームウェルド封止されている。キャップ１１は、前述のように、その外周部が載置された状態でシールリング１０に対してシームウェルド封止されており、ＣＣＤチップ４の受光面と対向する位置に設けられる開口部１２を有している。また、キャップ１１は、コバール（フェルニコ）にて一体に形成されており、その表面には金メッキが施されている。
【００１６】
キャップ１１には、光透過窓としての窓部１３が、開口部１２を覆うように固着されている。窓部１３は、板状の石英（コルツ）ガラスの基材からなり、紫外線を透過するように構成されており、光入射面及び光出射面が研磨されている。また、窓部１３は、この光入射面の端部が全周にわたって、接着層１４を介してキャップ１１の上面（ＣＣＤチップ４に対向する面とは反対の面）に固着されることにより、キャップ１１に固着されている。接着層１４は、エポキシ樹脂系接着剤を用いることにより構成されている。接着層１４部分の石英ガラス（窓部１３）の表面には遮光用金属膜等を形成して、接着層１４に紫外線が入射しないようにしておくことが望ましい。
【００１７】
基板２には、ガス供給通路１５及びガス排出通路１６が形成されている。ガス供給通路１５は、一端が基板２の上面（光入射面側の面）２ｄに開口し、他端が載置部２ａの端面に開口して設けられている。ガス供給通路１５の一端側には配管用パイプ１７が接続されている。この配管用パイプ１７は着脱可能に構成されており、ＣＣＤチップ４が固定されて基板２を密封した後に基板２のガス供給通路１５の一端側の開口部に取り付けられる。
【００１８】
ガス排出通路１６は、ガス供給通路１５と同様に、一端が基板２の上面（光入射面側の面）２ｄに開口し、他端が載置部２ａの端面に開口して設けられている。ガス排出通路１６の一端側には配管用パイプ１８が接続されている。この配管用パイプ１８は着脱可能に構成されており、配管用パイプ１７と同様に、基板２を密封した後に基板２のガス排出通路１６の一端側の開口部に取り付けられる。
【００１９】
ガス供給通路１５の他端側の開口部とガス排出通路１６の他端側の開口部とは、図１に示されるように、基板２（中空部３）内のＣＣＤチップ４に対して対角となる位置に設けられている。これにより、ガス供給通路１５とガス排出通路１６とはＣＣＤチップ４に対して対角となる位置に夫々開口することになる。
【００２０】
配管用パイプ１７（ガス供給通路１５）には、図１に示されるように、所定のガスとしてのＮ2ガスを供給するための、ガス貯蔵部１９とガス供給ポンプ２０とが接続されている。ガス貯蔵部１９は、Ｎ2ガスを貯蔵可能に構成されており、ガス貯蔵部１９に貯蔵されているＮ2ガスは、ガス供給ポンプ２０により、配管用パイプ１７とガス供給通路１５とを介して基板２内のＣＣＤチップ４と窓部１３との間に形成される空間Ｓ１に供給される。空間Ｓ１に供給されたＮ2ガスは、空間Ｓ１内のＣＣＤチップ４が配置されている部分全体にわたって還流した後、ガス排出通路１６（配管用パイプ１８）から排出されることになる。
【００２１】
ここで、ガス供給ポンプ２０の動作制御に関しては、ガス供給ポンプ２０を常時作動させるように制御する必要はなく、半導体受光装置１（ＣＣＤチップ４）に対して測定光が入射している期間においてガス供給ポンプ２０が作動するように、ガス供給ポンプ２０の動作を制御するようにしてもよい。また、ガス供給ポンプ２０がたとえば所定時間毎に周期的に作動するように、ガス供給ポンプ２０の動作を制御するようにしてもよい。
【００２２】
以上のことから、第１実施形態においては、基板２にガス供給通路１５及びガス排出通路１６が形成され、ガス供給通路１５に対してガス貯蔵部１９とガス供給ポンプ２０とが接続されており、ガス貯蔵部１９に貯蔵されているＮ2ガスが、ガス供給ポンプ２０により配管用パイプ１７とガス供給通路１５とを介して基板２内の空間Ｓ１に供給され、空間Ｓ１のＣＣＤチップ４が配置されている部分全体にわたって還流した後、ガス排出通路１６（配管用パイプ１８）から排出されるので、基板２内（空間Ｓ１）においてガスが流通することになる。このように、基板２内（空間Ｓ１）においてガスを流通させることにより、紫外線を含む光が照射される等して樹脂材料８又は接着層１４の成分が分解されてガスとして基板２内（空間Ｓ１）に放出された場合でも、樹脂材料８又は接着層１４から放出されたガスが、Ｎ2ガスと共にガス排出通路１６（配管用パイプ１８）から基板２外に排出されるので、樹脂材料８又は接着層１４から放出されたガスが窓部１３の光出射面、あるいは、ＣＣＤチップ４の受光面に付着し、凝集するのが抑制されて、測定光（入射光）の透過率の低下が抑制される。この結果、ＣＣＤチップ４の受光感度の低下を抑制することができる。
【００２３】
また、ガス貯蔵部１９とガス供給ポンプ２０とを設け、ガス供給ポンプ２０によりＮ2ガスを基板２内の空間Ｓ１に供給して基板２内（空間Ｓ１）にＮ2ガスを還流させることにより、基板２内（空間Ｓ１）においてガスを流通させているので、樹脂材料８又は接着層１４から基板２内（空間Ｓ１）に放出されたガスをより一層確実にガス排出通路１６から基板２外に排出することができる。
【００２４】
また、ガス供給通路１５とガス排出通路１６とはＣＣＤチップ４に対して対角となる位置に夫々開口しているので、基板２内（空間Ｓ１）のＣＣＤチップ４が配置されている部分全体にわたってＮ2ガスが還流することになり、樹脂材料８又は接着層１４から基板２内（空間Ｓ１）に放出されたガスを効率的にガス排出通路１６から基板２外に排出することができる。
【００２５】
（第２実施形態）
次に、図３及び図４に基づいて、第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る半導体受光装置の平面図であり、図４は、同じく第２実施形態に係る半導体受光装置の断面図である。第１実施形態と第２実施形態とでは、半導体受光装置の構成に関して相違する。
【００２６】
半導体受光装置４１はセラミック製の基板４２を有し、この基板４２の中央部には、基板４２の長手方向に伸びる中空部４３が形成されている。中空部４３の底部には、半導体受光素子を冷却する冷却器としてのペルチェ素子４４が載置される載置部４２ａが設けられている。ペルチェ素子４４は、載置部４２ａにペルチェ素子４４の発熱部が載置された状態で、この載置部４２ａ（基板４２）に固着されている。発熱部とは反対側に位置するペルチェ素子４４の吸熱部の上面には、配線基板４７とバンプ４８を介してＣＣＤチップ４６が載置され、この吸熱部の上面に固着されている。ペルチェ素子４４の発熱部側がペルチェ素子４４に電源を供給するための電源供給部（図示せず）に接続されている。
【００２７】
半導体受光素子であるＣＣＤチップ４６とバンプ４８を介してＣＣＤチップ４６の電極と配線基板４７が電気的に接続（バンプボンディング）されている。ＣＣＤチップ４６と配線基板４７との間には、バンプ４８が配置された状態でエポキシ樹脂等の樹脂材料４９が充填されており、充填された樹脂材料４９が硬化することにより薄形化されたＣＣＤチップ４６が補強、保護されると共に、図４に示されるように、ＣＣＤチップ４６と配線基板４７とが固定されることになる。
【００２８】
基板４２には、ＣＣＤチップ４６の電極を外部に取り出すためのボンディングパッド（図示せず）が設けられている。ボンディングパッドは基板４２の中間部に形成される金属層を通って、基板４２の外部に導出されており、この基板２の外部に導出された部分にはリード６がろう付け等により固着されている。上述したボンディングパッドと配線基板４７とは、ボンディングワイヤ等を介して、結線されている。
【００２９】
中空部４３の周囲の基板４２の上面には、光透過窓としての窓部５０が接着層５１を介して中空部４３（ＣＣＤチップ４６）を囲む状態で固着されている。窓部５０は、板状の石英（コルツ）ガラスの基材からなり、紫外線を透過するように構成されており、光入射面及び光出射面が研磨されている。また、窓部５０は、この光入射面の端部が全周にわたって、接着層５１を介して基板４２の上面に固着されている。接着層５１は、エポキシ樹脂系接着剤を用いることにより構成されている。接着層５１部分の石英ガラス（窓部５０）の表面には遮光用金属膜等を形成して、接着層５１に紫外線が入射しないようにしておくことが望ましい。
【００３０】
基板４２には、ガス供給通路５２及びガス排出通路５３が形成されている。ガス供給通路５２は、一端が基板４２の側面に開口し、他端が中空部４３の側面に開口して設けられている。ガス供給通路５２の一端側には配管用パイプ５４が接続されている。この配管用パイプ５４は着脱可能に構成されており、配線基板４７とバンプ４８を介して接続しているＣＣＤチップ４６が配設されて窓部５０により基板４２を密封した後に基板４２のガス供給通路５２の一端側の開口部に取り付けられる。
【００３１】
ガス排出通路５３は、ガス供給通路５２と同様に、一端が基板４２の側面に開口し、他端が中空部４３の側面に開口して設けられている。ガス排出通路５３の一端側には配管用パイプ５５が接続されている。この配管用パイプ５５は着脱可能に構成されており、配管用パイプ５４と同様に、基板４２を密封した後に基板４２のガス排出通路５３の一端側の開口部に取り付けられる。
【００３２】
ガス供給通路５２の他端側の開口部とガス排出通路５３の他端側の開口部とは、図３に示されるように、基板４２（中空部４３）内のＣＣＤチップ４６に対して対角となる位置に設けられている。これにより、ガス供給通路５２とガス排出通路５３とはＣＣＤチップ４６に対して対角となる位置に夫々開口することになる。
【００３３】
以上のことから、第２実施形態においては、基板４２にガス供給通路５２及びガス排出通路５３が形成され、ガス供給通路５２に対してガス貯蔵部１９とガス供給ポンプ２０とが接続されており、ガス貯蔵部１９に貯蔵されているＮ2ガスが、ガス供給ポンプ２０により配管用パイプ５４とガス供給通路５２とを介して基板４２の中空部４３内に供給され、中空部４３内のＣＣＤチップ４６が配置されている部分全体にわたって還流した後、ガス排出通路５３（配管用パイプ５５）から排出されるので、中空部４３内においてガスが流通することになる。このように、中空部４３内においてガスを流通させることにより、紫外線を含む光が照射される等して樹脂材料４９又は接着層５１の成分が分解されてガスとして中空部４３内に放出された場合でも、樹脂材料４９又は接着層５１から放出されたガスが、Ｎ2ガスと共にガス排出通路５３（配管用パイプ５５）から基板４２外に排出されるので、樹脂材料４９又は接着層５１から放出されたガスが窓部５０の光出射面、あるいは、ＣＣＤチップ４６の受光面に付着するのが抑制されて、測定光（入射光）の透過率の低下が抑制される。この結果、ＣＣＤチップ４６の受光感度の低下を抑制することができる。
【００３４】
また、ガス貯蔵部１９とガス供給ポンプ２０とを設け、ガス供給ポンプ２０によりＮ2ガスを中空部４３内に供給して中空部４３内にＮ2ガスを還流させることにより、中空部４３内においてガスを流通させているので、樹脂材料４９又は接着層５１から中空部４３内に放出されたガスをより一層確実にガス排出通路５３から基板４２外に排出することができる。
【００３５】
また、ガス供給通路５２とガス排出通路５３とはＣＣＤチップ４６に対して対角となる位置に夫々開口しているので、中空部４３内のＣＣＤチップ４６が配置されている部分全体にわたってＮ2ガスが還流することになり、樹脂材料４９又は接着層５１から中空部４３内に放出されたガスを効率的にガス排出通路５３から基板４２外に排出することができる。
【００３６】
（第３実施形態）
次に、図５に基づいて、第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態に係る半導体受光装置の平面図である。第１実施形態及び第２実施形態と、第３実施形態とでは、ガス排出ポンプを設けている点に関して相違する。
【００３７】
半導体受光装置６１の基板２には、ガス排出通路６２が形成されている。ガス排出通路６２は、一端が基板２の上面（光入射面側の面）２ｄに開口し、他端が載置部２ａの端面に開口して設けられている。ガス排出通路６２の一端側には配管用パイプ１８が接続されている。配管用パイプ１８（ガス排出通路６２）には、図５に示されるように、ガス排出ポンプ６３が接続されている。基板２内のＣＣＤチップ４と窓部１３との間に形成される空間Ｓ１に存在するガスは、ガス排出ポンプ６３により吸引されてガス排出通路６２（配管用パイプ１８）から排出されることになる。
【００３８】
ここで、ガス排出ポンプ６３の動作制御に関しては、ガス排出ポンプ６３を常時作動させるように制御する必要はなく、ガス供給ポンプ２０と同様に、半導体受光装置１（ＣＣＤチップ４）に対して測定光が入射している期間においてガス排出ポンプ６３が作動するように、ガス排出ポンプ６３の動作を制御するようにしてもよい。また、ガス排出ポンプ６３がたとえば所定時間毎に周期的に作動するように、ガス排出ポンプ６３の動作を制御するようにしてもよい。
【００３９】
以上のことから、第３実施形態においては、基板２にガス排出通路６２が形成され、ガス排出通路６２に対してガス排出ポンプ６３が接続されており、基板２内の空間Ｓ１に存在するガスがガス排出通路６２（配管用パイプ１８）から排出されるので、基板２内（空間Ｓ１）においてガスが流通することになる。このように、基板２内（空間Ｓ１）においてガスを流通させることにより、樹脂材料８又は接着層１４の成分が分解されてガスして基板２内（空間Ｓ１）に放出された場合でも、樹脂材料８又は接着層１４から放出されたガスがガス排出通路６２（配管用パイプ１８）から基板２外に排出されるので、樹脂材料８又は接着層１４から放出されたガスが窓部１３の光出射面、あるいは、ＣＣＤチップ４の受光面に付着するのが抑制されて、測定光（入射光）の透過率の低下が抑制される。この結果、ＣＣＤチップ４の受光感度の低下を抑制することができる。
【００４０】
なお、第１実施形態及び第２実施形態においては、半導体受光素子（ＣＣＤチップ４，４６）と光透過窓（窓部１３，５０）との間に形成された空間内を還流させるガスとしてＮ2ガスを用いているが、これに限られることなく、たとえばＡｒガス等の不活性ガスといった、入射光が半導体受光素子と光透過窓との間に形成された空間を透過する際の透過率の低下を抑制可能であると共に、半導体受光素子の性能低下を抑制可能なガスを用いることができる。
【００４１】
また、第１実施形態及び第２実施形態においては、Ｎ2ガスを供給するためにガス供給ポンプ２０を設けているが、このガス供給ポンプ２０を設ける代わりに、ガス排出ポンプをガス排出通路１６，５３（配管用パイプ１８，５５）に接続して設け、このガス排出ポンプを用いて基板２，４２内のガスを排出することにより、基板２，４２内においてＮ2ガスを還流させるようにしてもよい。
【００４２】
また、第１実施形態〜第３実施形態においては、本発明を裏面照射型のＣＣＤチップを備えた半導体受光装置に適用した例を示しているが、これに限られることなく、本発明はその他の半導体受光素子、たとえばフォトダイオードを備えた半導体受光装置に適用することが可能である。もちろん、本発明は、樹脂材料８，４９、及び、接着層１４，５１以外の部分にも樹脂材料が用いられている半導体受光装置にも適用することが可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、樹脂材料から放出されるガスを収納容器外に排出して、半導体受光素子の受光感度が劣化するのを抑制することが可能な半導体受光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体受光装置の平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体受光装置の断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体受光装置の平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る半導体受光装置の断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る半導体受光装置の平面図である。
【符号の説明】
１，４１，６１…半導体受光装置、２，４２…基板、３…中空部、４，４６…ＣＣＤチップ、８，４９…樹脂材料、１３，５０…窓部、１４，５１…接着層、１５，５２…ガス供給通路、１６，５３，６２…ガス排出通路、１７，１８，５４，５５…配管用パイプ、１９…ガス貯蔵部、２０…ガス供給ポンプ、４３…中空部、４４…ペルチェ素子、６３…ガス排出ポンプ。

Claims (4)

  1. 光透過窓を有する収納容器と、前記収納容器内に配置されかつ前記光透過窓から入射した光を受光する半導体受光素子とを備えると共に、樹脂材料が用いられた半導体受光装置であって、
    前記収納容器内においてガスを流通させることにより、前記樹脂材料から前記収納容器内に放出されるガスを前記収納容器外に排出するガス流通手段が設けられており、前記樹脂材料から放出されたガスが前記光透過窓の前記収納容器側の面、あるいは、前記半導体受光素子の表面に付着するのが抑制されていることを特徴とする半導体受光装置。
  2. 前記ガス流通手段は、前記収納容器内のガスを排出するためのガス排出手段を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
  3. 前記ガス流通手段は、前記収納容器内に所定のガスを供給するためのガス供給手段を更に有していることを特徴とする請求項２に記載の半導体受光装置。
  4. 前記ガス排出手段は、前記収納容器に形成されたガス排出通路を含み、
    前記ガス供給手段は、前記収納容器に形成されたガス供給通路を含み、
    前記ガス排出通路と前記ガス供給通路とは、前記収納容器内の前記半導体受光素子に対して対角となる位置に夫々開口していることを特徴とする請求項３に記載の半導体受光装置。
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